近日，合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院付健副教授與安徽工程大學左如忠教授，澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授，清華大學林元華教授和南策文院士等合作，在新型儲能電介質(zhì)材料領域取得新進展，相關成果以"A highly polarizable concentrated dipole glass for ultrahigh energy storage "s 題發(fā)表在《自然．通訊》(Nature Communications, 15,7338 (2024)）上。我校為第一作者單位和第一通訊單位。其他重要合作者還有中科院上硅所傅正錢副研究員，陳學鋒研究員，湖北大學郭金明教授，北京科技大學祁核副教授等。該研究工作受到了《自然．通訊》期刊編輯團隊和審稿人的高度認可，從投遞到編輯團隊同意發(fā)表僅耗時31天。該項研究也是繼超臨界弛豫鐵電體 (Adv. Mater., 34, 2204356(2022)）后研究團隊在儲能電介質(zhì)材料領域的又一突破性進展。

以弛豫（反）鐵電體為代表的電介質(zhì)陶瓷脈沖功率電容器因其高功率密度、極快的充放電速度等優(yōu)點，廣泛應用于電力電子以及國防軍工等高技術領域。盡管近年來弛豫鐵電體材料的儲能性能獲得了明顯的提升，但在實現(xiàn)電介質(zhì)材料的高儲能密度與高儲能效率的平衡方面始終面臨明顯的挑戰(zhàn)。在增加外加電場時，由于極性納米疇的取向與長大，盡管儲能密度會逐漸提升，但儲能效率會不可避免的產(chǎn)生明顯的下降。

降低極性微區(qū)尺度被認為是解決儲能效率難題的有效方案。然而，在經(jīng)典的弛豫（反）鐵電體中，這種結(jié)構調(diào)控往往會誘導形成經(jīng)典的稀偶極玻璃態(tài)（dilute dipole glass),極大地降低飽和極化強度和儲能密度。為此，研究團隊創(chuàng)新性地提出了highly polarizable concentrated dipole glass (HPCDG，高極化、高密度偶極玻璃）這一概念。通過構建原子尺度的化學成分無序，在所有晶格中引入強極性的鐵電活性離子，同時在原子尺度上引入差異化分布的隨機電場和應變場，進而打破相鄰晶格間的偶極﹣偶極相互作用，從而獲得具有原子尺度極性無序分布的HPCDG。在HPCDG中，具有自發(fā)極化的偶極子的有序尺度被最小化為單個晶格尺度，且近乎所有晶格中都存在強極性偶極子，但相鄰晶格之間偶極子的極化強度、取向并不一致。這些特征有助于獲得高的極化強度，而且高密度、強極性的偶極子在電場作用下的重新取向過程異常彌散，且無法有效地長大，從而在HPCDG陶瓷樣品中獲得高達～15.9 J/cm3的儲能密度，儲能效率亦高達93.3%。研究團隊進一步制備了基于HPCDG的多層陶瓷電容器（MLCC)。結(jié)果表明，該MLCC原型器件具有創(chuàng)記錄的高儲能密度（~26.3 J/cm3)，且儲能效率高達~92.4%，顯著優(yōu)于目前主流的MLCC。在60kV/mm電場下持續(xù)一百萬次循環(huán)，儲能密度僅下降～8%。此外MLCC在60kV/mm電場表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，在整個測量溫度范圍內(nèi)，儲能密度與效率分別維持在12.0±0.7J/cm3和92.7±0.4%。

該研究為解決脈沖功率儲能介質(zhì)電容器中儲能密度與效率矛盾這一長期挑戰(zhàn)提出了突破性的解決方案。